結晶性珪素膜の成膜方法およびプラズマＣＶＤ装置
【課題】 プラズマＣＶＤ法により良質な結晶性珪素膜を高い成膜レートで成膜する方法を提供する。
【解決手段】 複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる。
【解決手段】 複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶性珪素膜の成膜方法およびプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶性珪素は、高濃度ドーピングが可能な物質であり、例えばダイオードなどの半導体素子に広く使われている。結晶性珪素膜の製造には、熱ＣＶＤ法や、高周波で励起したプラズマを用いるプラズマＣＶＤ法が利用されている。熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法のどちらにおいても、現状では、成膜される結晶性珪素薄膜の欠陥を抑制する観点から、工業的には原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）以外は使用されていない。
【０００３】
プラズマＣＶＤで成膜レートを大きくするためには、原料ガスであるＳｉＨ４の時間当たりの流量を大きくすることが効果的である。しかし、時間当たりのＳｉＨ４の流量を大きくすると、成膜される結晶性珪素膜の結晶化度が低下し、膜質が劣化することが知られている。このため、プラズマＣＶＤで良質な膜質の結晶性珪素膜を短時間に成膜することは困難であり、工業的な規模で結晶性珪素膜を大量に生産する上での隘路となっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマＣＶＤ法により良質な結晶性珪素膜を高い成膜レートで成膜する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる。
【０００６】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記珪素化合物がジシランまたはトリシランであることが好ましい。
【０００７】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記成膜ガスが、希ガスを含むことが好ましい。
【０００８】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記成膜ガスが、水素ガスを含むことが好ましい。
【０００９】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記成膜ガスの全流量に対する前記珪素化合物の体積流量比率が０．５％〜１０％の範囲内であることが好ましい。
【００１０】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記処理容器内の圧力を０．１Ｐａ以上１０．６Ｐａ以下の範囲内に設定して前記プラズマＣＶＤを行うことが好ましい。
【００１１】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、処理温度を２５０℃以上６００℃以下で行うことが好ましい。
【００１２】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記マイクロ波のパワー密度が、被処理体の面積あたり０．２５Ｗ／ｃｍ２以上２．５６Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内であることが好ましい。
【００１３】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記プラズマＣＶＤの間、被処理体を載置する載置台に埋設された電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加することが好ましい。
【００１４】
本発明のプラズマＣＶＤ装置は、プラズマＣＶＤ法により被処理体上に結晶性珪素膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
被処理体を収容する上部が開口した処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を載置する載置台と、
前記処理容器の前記開口を塞ぐ誘電体部材と、
前記誘電体部材の上部に設けられ、前記処理容器内にマイクロ波を導入するための複数の孔を有する平面アンテナと、
前記処理容器内に成膜ガスを導入するガス導入部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器内に前記ガス導入部を介して導入した式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを、前記平面アンテナを介して導入した前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行い被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる結晶性珪素膜の成膜方法が行われるように制御する制御部と、を備えている。このプラズマＣＶＤ装置は、前記載置台内に埋設された電極と、前記電極に接続する高周波電源と、をさらに備え、前記制御部は、前記プラズマＣＶＤの間、前記電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法によれば、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより、結晶化度を低下させずに高い成膜レートで結晶性珪素膜を成膜できる。
【００１６】
また、本発明方法は、６００℃以下の低温で結晶性珪素膜を成膜できるため、サーマルバジェットを低減できるとともに、成膜の過程でドーパントの拡散を生じさせることがないので、半導体製造プロセスにおいて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】結晶性珪素膜の形成に適したプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナの構造を示す図面である。
【図３】制御部の構成を示す説明図である。
【図４】ポリシリコン膜の成膜レートと成膜ガス流量との関係を示すグラフである。
【図５】ポリシリコン膜の結晶化度と成膜ガス流量との関係を示すグラフである。
【図６】ポリシリコン膜の結晶配向性と成膜ガス流量との関係を示すグラフである。
【図７】ポリシリコン膜の結晶配向性と成膜圧力との関係を示すグラフである。
【図８】ポリシリコン膜の結晶配向性と成膜温度との関係を示すグラフである。
【図９】ポリシリコン膜の結晶配向性とマイクロ波出力との関係を示すグラフである。
【図１０】クロスポイント型のメモリセルアレイの構成を示す模式図である。
【図１１】図１０のメモリセルアレイの要部断面図である。
【図１２】ダイオードの製造工程を説明する図面である。
【図１３】図１２に続く工程を説明する図面である。
【図１４】図１３に続く工程を説明する図面である。
【図１５】ｐｉｎダイオードとなるポリシリコン膜が積層して成膜された状態を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の結晶性珪素膜の製造方法に利用可能なプラズマＣＶＤ装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００１９】
プラズマＣＶＤ装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。プラズマＣＶＤ装置１００では、１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ０．７〜２ｅＶの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマＣＶＤ装置１００は、各種半導体装置の製造過程においてプラズマＣＶＤによって結晶性珪素膜としてのポリシリコン膜を成膜処理する目的で好適に利用できる。
【００２０】
プラズマＣＶＤ装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを供給するガス供給装置１８と、このガス供給装置１８に接続するガス導入部１４と、処理容器１内を減圧排気するための排気装置２４と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置２７と、これらプラズマＣＶＤ装置１００の各構成部を制御する制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８は、プラズマＣＶＤ装置１００の構成部分には含めずに、外部のガス供給装置をガス導入部１４に接続して使用する構成としてもよい。
【００２１】
処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されており、上部が開口している。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２２】
処理容器１の内部には、被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持され、底部に固定さている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２３】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。載置台２の保護の観点から、カバーリング４は載置台２の全表面を覆うようにしてもよい。
【００２４】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。このヒータ５は、ヒータ電源５ａから給電されることにより載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００２５】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６により、温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００２６】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）を有している。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２７】
また、載置台２の表面側には電極７が埋設されている。この電極７は、ヒータ５と載置台２の表面との間に配置されている。この電極７に、給電線７ａによって、マッチングボックス（Ｍ．Ｂ．）８を介してバイアス印加用の高周波電源９が接続されている。電極７に高周波電源９より高周波電力を供給して、基板であるウエハＷに高周波バイアス（ＲＦバイアス）を印加できる構成となっている。つまり、電極７、給電線７ａ、マッチングボックス（Ｍ．Ｂ．）８及び高周波電源９は、バイアス印加手段を構成している。電極７の材質としては、載置台２の材質であるＡｌＮ等のセラミックスと同等の熱膨張係数を有する材質が好ましく、例えばモリブデン、タングステンなどの導電性材料を用いることが好ましい。電極７は、例えば網目状、格子状、渦巻き状等の形状に形成されている。電極７のサイズは、少なくともウエハＷと同等かそれより若干大きく（例えば、ウエハＷの直径よりも１〜５ｍｍ程度大きく）形成することが好ましい。
【００２８】
処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の開口部１０が形成されている。底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。
【００２９】
処理容器１を形成する側壁１ｂの上端には、処理容器１を開閉させる蓋体（リッド）としての機能を有する環状のプレート１３が配置されている。プレート１３の内周下部は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、環状の支持部１３ａを形成している。
【００３０】
処理容器１の上方には、処理ガスを導入するガス導入部１４が配設されている。プレート１３には、第１のガス導入孔を有する第１のガス導入部１４ａが設けられている。また、処理容器１の側壁１ｂには、第２のガス導入孔を有する第２のガス導入部１４ｂが設けられている。つまり、第１のガス導入部１４ａおよび第２のガス導入部１４ｂは、上下２段に設けられ、ガス導入部１４を構成している。第１のガス導入部１４ａおよび第２のガス導入部１４ｂは成膜ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、第１のガス導入部１４ａおよび第２のガス導入部１４ｂはノズル状またはシャワーヘッド状に設けてもよい。また、第１のガス導入部１４ａと第２のガス導入部１４ｂを単一のシャワーヘッドに設けてもよい。さらに、第１のガス導入部１４ａと第２のガス導入部１４ｂを共に処理容器１の側壁１ｂに設けてもよい。
【００３１】
また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマＣＶＤ装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間で、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブ１７とが設けられている。
【００３２】
ガス供給装置１８は、成膜ガスなどを処理容器１内に供給するものであり、不活性ガス供給源１９ａ、水素ガス供給源１９ｂ、珪素化合物を含有する珪素化合物ガス（Ｓｉ化合物ガス）供給源１９ｃ、ドーパントガス供給源１９ｄ及び水素ガス供給源１９ｅを有している。不活性ガス供給源１９ａ及び水素ガス供給源１９ｂ、は、ガスライン２０ａ，２０ｂ、及びガスライン２０ｆを介して第１のガス導入部１４ａに接続されている。また、珪素化合物ガス供給源１９ｃ、ドーパントガス供給源１９ｄ及び水素ガス供給源１９ｅは、ガスライン２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、及びガスライン２０ｇを介して、第２のガス導入部１４ｂに接続されている。なお、ガス供給装置１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器１内をクリーニングするクリーニングガス供給源や、処理容器１内の雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を別に有していてもよい。
【００３３】
本発明では、成膜原料である珪素化合物ガスとして、分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物のガス、より具体的には式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物のガスを用いる。この珪素化合物は、珪素原子と水素原子とからなる化合物であることが好ましく、例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）などを用いることができる。これらは２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００３４】
また、成膜ガスとしては、珪素化合物ガスのほかに、不活性ガス、水素ガス、ドーパントガス等を用いることができる。不活性ガスと水素ガスは、処理容器１内で生成するプラズマを安定して形成させる機能を奏するプラズマ形成用のガスであるため、これらを成膜ガス中に混合することが好ましい。
【００３５】
不活性ガスとしては、例えば希ガスを用いることができる。希ガスは、プラズマ励起用ガスとして安定したプラズマの生成に役立つものであり、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。
【００３６】
ドーパントガスとしては、ｎ型ポリシリコン膜を成膜する場合はＰＨ３、ＡｓＨ３等、ｐ型ポリシリコン膜を成膜する場合はＢ２Ｈ６等を例示できる。
【００３７】
不活性ガス及び水素ガスは、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ及び水素ガス供給源１９ｂから、ガスライン２０ａ，２０ｂを介してガスライン２０ｆに合流した後第１のガス導入部１４ａに至り、第１のガス導入部１４ａから処理容器１内に導入される。一方、珪素化合物ガス、ドーパントガス及び水素ガスは、珪素化合物ガス供給源１９ｃ、ドーパントガス供給源１９ｄ及び水素ガス供給源１９ｅから、それぞれガスライン２０ｃ、２０ｄ、２０ｅを介してガスライン２０ｇに合流した後、第２のガス導入部１４ｂに至り、第２のガス導入部１４ｂから処理容器１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０ａ〜２０ｅには、マスフローコントローラ２１ａ〜２１ｅおよびその前後の開閉バルブ２２ａ〜２２ｅが設けられている。このようなガス供給装置１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。なお、Ａｒなどのプラズマ励起用の不活性ガスや水素ガスは任意のガスであり、必ずしも成膜ガスと同時に供給する必要はない。
【００３８】
排気装置２４は、ターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。この排気装置２４を作動させることにより、処理容器１内のガスは、排気室１１内の空間１１ａへ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器１内を、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００３９】
次に、マイクロ波導入装置２７の構成について説明する。マイクロ波導入装置２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３、カバー部材３４、導波管３７およびマイクロ波発生装置３９を備えている。マイクロ波導入装置２７は、処理容器１内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ生成手段である。
【００４０】
誘電体部材としての透過板２８は、プレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、マイクロ波を透過する誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。特にプラズマＣＶＤ装置として用いる場合、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスが好ましい。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、処理容器１の上部の開口はプレート１３を介して透過板２８によって塞がれ、処理容器１内が気密に保持される。
【００４１】
平面アンテナ３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ３１は、プレート１３の上端に係止されている。
【００４２】
平面アンテナ３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板、ニッケル板、ＳＵＳ板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔３２を有している。マイクロ波放射孔３２は、所定のパターンで平面アンテナ３１を貫通して形成されている。
【００４３】
個々のマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、細長い長方形状（スロット状）をなし、隣接する２つのマイクロ波放射孔が対をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２が「Ｌ」字状に配置されている。また、このように所定の形状（例えばＬ字状）に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【００４４】
マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。例えば、マイクロ波放射孔３２の間隔は、λｇ／４からλｇとなるように配置される。図２においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、マイクロ波放射孔３２の形状は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。
【００４５】
平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、樹脂等を有する遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００４６】
なお、平面アンテナ３１と透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【００４７】
プレート１３の上部には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、カバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。プレート１３とカバー部材３４とは、シール部材３５によりシールされている。カバー部材３４の内部には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波材３３、平面アンテナ３１および透過板２８を冷却できるようになっている。なお、カバー部材３４は接地されている。
【００４８】
カバー部材３４の上壁（天井部）の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。
【００４９】
導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部に接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。
【００５０】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
【００５１】
以上のような構成のマイクロ波導入装置２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介して処理容器１内に導入されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００５２】
プラズマＣＶＤ装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、コンピュータを有しており、例えば図３に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマＣＶＤ装置１００において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力、バイアス印加用の高周波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、高周波電源９、ガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
【００５３】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマＣＶＤ装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマＣＶＤ装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマＣＶＤ装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５４】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマＣＶＤ装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００５５】
次に、ＲＬＳＡ方式のプラズマＣＶＤ装置１００を用いたプラズマＣＶＤ法によるポリシリコン膜の堆積処理について説明する。まず、ゲートバルブ１７を開にして搬入出口１６からウエハＷを処理容器１内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、水素ガス供給源１９ｂ、珪素化合物ガス供給源１９ｃ及び水素ガス供給源１９ｅさらに必要に応じてドーパントガス供給源１９ｄから、珪素化合物ガス、水素ガス及び／又は不活性ガス並びに必要によりドーパントガスを所定の流量でそれぞれ第１のガス導入部１４ａ及び第２のガス導入部１４ｂを介して処理容器１内に導入する。そして、処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００５６】
ここで、プラズマＣＶＤにおける好ましい条件（処理圧力、成膜ガス流量、成膜温度）について説明する。処理圧力は、０．１Ｐａ以上１０．６Ｐａ以下の範囲内が好ましく、０．１Ｐａ以上５．３Ｐａ以下の範囲内がより好ましい。処理圧力は低いほどよく、上記範囲の下限値０．１Ｐａは、装置上の制約（高真空度の限界）に基づき設定した値である。処理圧力が１０．６Ｐａを超えると、ポリシリコンの結晶化度が低下して膜質が低下するため好ましくない。
【００５７】
また、合計の成膜ガス流量に対して、Ｓｉ２Ｈ６ガスなどの珪素化合物ガスの体積流量比率（珪素化合物ガス／合計成膜ガス流量の百分率）を０．５％以上１０％以下とすることが好ましく、１％以上５％以下とすることがより好ましく、１．２５％以上２．５％以下とすることが望ましい。珪素化合物ガスの体積流量比率が０．５％以下では十分な成膜レートが得られず、１０％を超えると膜質が低下するおそれがある。なお、珪素化合物ガスの流量は、１ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは１ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内から上記流量比率になるように設定することができる。
【００５８】
また、成膜ガス中には、珪素化合物ガスとともに、水素を含むことが好ましい。水素は、結晶性珪素膜中の欠陥に入り込むことにより、結晶を修復させる作用がある。したがって、成膜ガス中に水素を添加することにより、結晶性珪素膜の結晶性を高め、膜質を向上させることができる。合計の成膜ガス流量に対して、水素ガスの体積流量比率（Ｈ２ガス／合計成膜ガス流量の百分率）を９０％以上９９．５％以下とすることが好ましく、９５％以上９９％以下とすることがより好ましく、９７．５％以上９８．７５％以下とすることが望ましい。なお、水素ガスの流量は、１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内から上記流量比率になるように設定することができる。
【００５９】
また、プラズマを安定して生成させるために、上記珪素化合物ガス及び水素ガスとともに、Ａｒなどの不活性ガスを添加することが好ましい。この場合、合計の成膜ガス流量に対して、不活性ガスの体積流量比率（例えばＡｒガス／合計成膜ガス流量の百分率）を１％以上１０％以下とすることが好ましく、１％以上５％以下とすることがより好ましい。なお、不活性ガスの流量は、２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内から上記流量比率になるように設定することができる。
【００６０】
なお、水素ガスに替えて不活性ガスを用いる場合（つまり、珪素化合物と不活性ガスを用いる場合）は、不活性ガスの流量は、例えば１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下とすることが好ましい。
【００６１】
また、プラズマＣＶＤ処理の温度は、サーマルバジェットを低減し、不純物の拡散を抑えるために、載置台２の温度を６００℃以下、好ましくは２５０℃以上６００℃以下、より好ましくは２５０℃以上５００℃以下の範囲内に設定すればよい。
【００６２】
次に、マイクロ波発生装置３９で発生させた所定周波数例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マッチング回路３８を介して導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、マイクロ波は、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１のスロット状のマイクロ波放射孔３２から透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射させられる。この際、マイクロ波出力を大きくするほど、成膜されるポリシリコン膜の結晶化度を高めることができるため、マイクロ波出力は、ウエハＷの面積あたりの出力密度として０．２５〜２．５６Ｗ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましく、マイクロ波出力は、例えば５００Ｗ〜５０００Ｗの範囲内から目的に応じて上記範囲内の出力密度になるように選択することができる。なお、マイクロ波出力の上限である５０００Ｗは装置上の制約により設定した値であり、可能であれば前記上限値を超えるマイクロ波出力を供給することができる。
【００６３】
平面アンテナ３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、珪素化合物ガス、水素ガス及び／又は不活性ガス、さらにドーパントガス（添加する場合）が、それぞれプラズマ化する。そして、プラズマ中で原料ガスの解離が効率的に進み、ＳｉｐＨｑ、ＳｉＨｑ（ここで、ｐ、ｑは任意の数を意味する。以下同様である。）などの活性種の反応によって、ポリシリコン膜が堆積される。
【００６４】
また、必要に応じて、プラズマＣＶＤ処理を行なっている間、載置台２の電極７に高周波電源９から所定の周波数および大きさの高周波電力を供給し、高周波バイアス電圧（以下、単に「ＲＦバイアス」と記すことがある）をウエハＷに印加することもできる。プラズマＣＶＤ装置１００では、プラズマの電子温度を低く維持できるので、ＲＦバイアスを印加しても膜へのダメージが少ない。また、適切な範囲でのＲＦバイアスの印加は、ウエハＷへ向けてプラズマ中のＳｉイオンを引き込むことができるため、結晶化度を高めポリシリコン膜の膜質を向上させるとともに、成膜レートをより一層向上させることができる。この場合、高周波電源９から供給される高周波電力の周波数は、例えば４００ｋＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の範囲内が好ましく、４５０ｋＨｚ以上２０ＭＨｚ以下の範囲内がより好ましい。高周波電力は、ウエハＷの面積当たりの出力密度として例えば０．０１２Ｗ／ｃｍ２以上０．５８５Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内で印加することが好ましく、０．０１２Ｗ／ｃｍ２以上０．２３４Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内で印加することがより好ましい。また、高周波電力は１０Ｗ以上５００Ｗ以下の範囲内が好ましく、より好ましくは１０Ｗ以上２００Ｗ以下の範囲内から、上記出力密度になるように電極７に供給してＲＦバイアスを印加することができる。
【００６５】
以上の条件は、制御部５０の記憶部５３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ５１がそのレシピを読み出してプラズマＣＶＤ装置１００の各構成部例えばガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａ、高周波電源９などへ制御信号を送出することにより、所望の条件でのプラズマＣＶＤ処理が実現する。
【００６６】
次に、本発明の基礎となった実験データを挙げ、プラズマＣＶＤ処理の好適な条件について説明する。
実験１：
珪素化合物としてＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉ３Ｈ８ガスを、プラズマ生成用ガスとしてＡｒガスを使用し、プラズマＣＶＤ装置１００において下記のプラズマＣＶＤ条件で成膜ガスの流量を変えてポリシリコン膜を成膜した。各条件で成膜されたポリシリコン膜の成膜レートを図４、結晶化度を図５に示した。なお、結晶化度は、ラマン分光分析で得られたスペクトルの結晶性シリコン（５２０ｎｍ）の信号強度をアモルファスシリコン（４８０ｎｍ）の信号強度で除した値である。
【００６７】
［プラズマＣＶＤ条件］
処理温度（載置台）：４００℃
マイクロ波パワー：３０００Ｗ
処理圧力；５．３Ｐａ
シラン系ガス流量；５、１０又は２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス流量；上記シラン系ガスとの合計で８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
【００６８】
図４から、成膜レートは、どの珪素化合物でも流量の増加に比例して高くなる傾向を示しているが、Ｓｉ３Ｈ８を使用した場合が最も高く、次にＳｉ２Ｈ６であり、ＳｉＨ４は最も低い結果となった。ＳｉＨ４の成膜レートに対して、Ｓｉ３Ｈ８は約３倍、Ｓｉ２Ｈ６は約２倍の顕著な改善を示した。また、図５から、結晶化度は、どの珪素化合物でも、流量の増加とともに若干減少する傾向が見られるが、珪素化合物の種類による違いは少なく、略同等の膜質であることが確認された。
【００６９】
また、図６は、珪素化合物としてＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６を使用し上記条件で成膜したポリシリコン膜をＸＲＤ分析し、結晶方位＜２２０＞の信号強度を膜厚で規格化した比率（％）と、ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６の流量との関係を示している。なお、図６には、成膜レート（縦軸の右側目盛り）も併記した。図６のＸＲＤ分析でもラマン分光分析と同様の傾向を示し、結晶方位＜２２０＞の比率は、ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６ともに流量の増加とともに若干減少する傾向が見られるが、珪素化合物による違いは少なく、略同等の膜質であることが確認された。しかし、成膜レートは、ＳｉＨ４に比べてＳｉ２Ｈ６は約２倍の顕著な改善を示した。
【００７０】
以上の結果から、珪素化合物ガスの体積流量比率（珪素化合物ガス／合計成膜ガス流量の百分率）が１．２５％以上２．５％以下の範囲内で、ＳｉＨ４に比較して、Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉ３Ｈ８を用いることの優位性が際立っていることが理解される。従って、珪素化合物として、分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を用いることにより、ポリシリコン膜の結晶化度を低下させることなく、成膜レートを大幅に向上できることが確認された。
【００７１】
実験２：
珪素化合物としてＳｉ２Ｈ６、プラズマ生成用ガスとしてＨ２ガスを使用し、プラズマＣＶＤ装置１００において下記のプラズマＣＶＤ条件でポリシリコン膜を成膜した。各条件で成膜されたポリシリコン膜をＸＲＤ分析し、結晶方位＜２２０＞の信号強度を膜厚で規格化した比率（％）を元に、膜質に対する成膜圧力、温度、及びマイクロ波出力の影響を調べた。結果を図７〜９に示した。
【００７２】
［プラズマＣＶＤ条件］
処理温度（載置台）：２５０℃、４００℃又は５００℃に設定した。
マイクロ波パワー：２０００Ｗ、３０００Ｗ又は４０００Ｗに設定した。
処理圧力；４Ｐａ、５．３Ｐａ又は１０．６Ｐａに設定した。
シラン系ガス流量；５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定した。
Ｈ２ガス流量；上記シラン系ガスとの合計で４００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定した。
【００７３】
図７は成膜圧力の影響を示しており、圧力が４Ｐａから５．３Ｐａでは結晶方位＜２２０＞の比率はほとんど変化していないが、１０．６Ｐａでは大幅に低下していた。従って、成膜圧力は、例えば１０．６Ｐａ以下が好ましく、５．３Ｐａ以下がより好ましいと考えられる。
【００７４】
図８は成膜温度（載置台の温度）の影響を示しており、２５０℃、４００℃、５００℃で結晶方位＜２２０＞の比率はほとんど変化しておらず、有意な差は認められなかった。ただし、成膜温度が５００℃を超えて高くなると結晶方位＜２２０＞の比率が低下する傾向が見られるため、成膜温度の上限は６００℃程度とすることが好ましいと考えられる。従って、成膜温度は、例えば２５０℃以上６００℃以下が好ましく、２５０℃から５００℃がより好ましい。
【００７５】
図９はマイクロ波出力の影響を示しており、マイクロ波出力を２０００Ｗから４０００Ｗに大きくすることによって、結晶方位＜２２０＞の比率が増加することが確認された。図９から、マイクロ波出力を大きくするほど結晶化度を高めることが可能であることが示唆された。従って、マイクロ波出力は、例えば２０００Ｗ以上５０００Ｗ以下が好ましく、３０００Ｗ以上５０００Ｗ以下がより好ましいと考えられる。
【００７６】
［不揮発性メモリ装置の製造への適用例］
次に、図１０〜図１５を参照しながら、本実施の形態に係る結晶性珪素膜の製造方法を不揮発性メモリ装置の製造過程に適用した例について説明する。図１０は、クロスポイント型のメモリセルアレイ２００の構成を模式的に示している。メモリセルアレイ２００は複数本（図示では３本）のビット線ＢＬと複数本（図示では３本）のワード線ＷＬの交点にメモリセルＭＣが配置されている。
【００７７】
図１１は、図１０のメモリセルアレイ２００の要部断面図であり、メモリセルＭＣの詳細な構造を示している。メモリセルＭＣは、ダイオード２０１と記憶素子２１１とが直列に接続した回路構造をしている。ダイオード２０１は、ｐｉｎダイオードであり、ｐ型シリコン層２０２、真性シリコン層２０３及びｎ型シリコン層２０４を備えている。
【００７８】
記憶素子２１１としては、抵抗変化メモリ（ＲＲＡＭ）の場合は電気的ストレスによって抵抗変化する材料（例えば、ＰｒＣａＭｎＯ等の遷移金属酸化物）、相変化メモリ（ＰＲＡＭ）の場合は電流による熱ストレスにより相変化する材料（例えばＧｅＳｅＴｅ等）、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）の場合は強誘電体材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、ストロンチウム・ビスマス・タンタル複合酸化物等）、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の場合は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅなどの遷移金属磁性元素・それらの合金などからなる強磁性層と非磁性層と前記強磁性層とが積層されたＴＭＲ（強磁性トンネル磁気抵抗効果）素子構造など、を有するものを挙げることができる。
【００７９】
本発明に係るポリシリコン膜の製造方法は、クロスポイント型のメモリセルアレイ２００のダイオード２０１を製造する際に適用できる。図１２及び図１３に示すように、図示しない層間絶縁膜上に形成された下部電極層２２０（ワードラインＷＬとなるもの）の上に、プラズマＣＶＤ装置１００により分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を含む成膜ガスを使用してポリシリコン層２０２ａ（ｐ型シリコン層２０２となる部分）を成膜する。この工程では、ドーパントガス供給源１９ｄから、Ｂ２Ｈ６等のドーパントガスを供給しながらプラズマＣＶＤを行う。
【００８０】
次に、図１３及び図１４に示すように、ポリシリコン層２０２ａの上に、プラズマＣＶＤ装置１００により分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を含む成膜ガスを使用してポリシリコン層２０３ａ（真性シリコン層２０３となる部分）を成膜する。
【００８１】
次に、図１４及び図１５に示すように、ポリシリコン層２０３ａの上に、プラズマＣＶＤ装置１００により分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を含む成膜ガスを使用してポリシリコン層２０４ａ（ｎ型シリコン層２０４となる部分）を成膜する。この工程では、ドーパントガス供給源１９ｄから、ＰＨ３等のドーパントガスを供給しながらプラズマＣＶＤを行う。
【００８２】
以上のようにして、ｐ型シリコン層２０２となるポリシリコン層２０２ａ、真性シリコン層２０３となるポリシリコン層２０３ａ及びｎ型シリコン層２０４となるポリシリコン層２０４ａを順次形成することができる。以降は、ポリシリコン層２０４ａの上に、記憶素子２１１となる部分の材料膜を形成し、エッチングを行うことによって、図１１に示した積層構造のメモリセルＭＣを形成できる。
【００８３】
本発明方法を適用することによって、高い成膜レートで高い結晶化度の良質なポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを成膜できる。また、本発明方法では、平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成する方式のプラズマＣＶＤ装置１００を用いることによって、６００℃以下の低温でポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを成膜できるので、成膜の過程でドーパントの拡散を生じさせることがない。また、通常、図１０に示すようなメモリセルアレイ２００を積層構造とすることによって集積度の向上を図っている。そのためには、ｐ型シリコン層２０２、真性シリコン層２０３及びｎ型シリコン層２０４からなるダイオード２０１（ｐｉｎダイオード）は、出来るだけ薄く形成する必要がある。しかし、熱ＣＶＤ法によってポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを成膜する場合には、薄膜化が困難であるとともに、高温によってドーパントの拡散が生じてしまう。このような観点から、ポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを薄膜に成膜できるとともに、比較的低温での成膜が可能でドーパントの拡散を生じさせない本発明方法を適用することは極めて有利である。
【００８４】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、クロスポイント型不揮発性メモリ装置の製造工程での適用例を挙げて説明したが、これに限るものではなく、良質な結晶性珪素薄膜を高いレートで成膜する必要がある半導体プロセスに広く適用できる。
【符号の説明】
【００８５】
１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、９…高周波電源、１２…排気管、１４…ガス導入部、１４ａ…第１のガス導入部、１４ｂ…第２のガス導入部、１６…搬入出口、１７…ゲートバルブ、１８…ガス供給装置、１９ａ…不活性ガス供給源、１９ｂ…水素ガス供給源、１９ｃ…珪素化合物ガス（Ｓｉ化合物ガス）供給源、１９ｄ…ドーパントガス供給源、１９ｅ…水素ガス供給源、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入装置、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ、３２…マイクロ波放射孔、３７…導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、１００…プラズマＣＶＤ装置、Ｗ…シリコンウエハ（基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶性珪素膜の成膜方法およびプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶性珪素は、高濃度ドーピングが可能な物質であり、例えばダイオードなどの半導体素子に広く使われている。結晶性珪素膜の製造には、熱ＣＶＤ法や、高周波で励起したプラズマを用いるプラズマＣＶＤ法が利用されている。熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法のどちらにおいても、現状では、成膜される結晶性珪素薄膜の欠陥を抑制する観点から、工業的には原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）以外は使用されていない。
【０００３】
プラズマＣＶＤで成膜レートを大きくするためには、原料ガスであるＳｉＨ４の時間当たりの流量を大きくすることが効果的である。しかし、時間当たりのＳｉＨ４の流量を大きくすると、成膜される結晶性珪素膜の結晶化度が低下し、膜質が劣化することが知られている。このため、プラズマＣＶＤで良質な膜質の結晶性珪素膜を短時間に成膜することは困難であり、工業的な規模で結晶性珪素膜を大量に生産する上での隘路となっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマＣＶＤ法により良質な結晶性珪素膜を高い成膜レートで成膜する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる。
【０００６】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記珪素化合物がジシランまたはトリシランであることが好ましい。
【０００７】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記成膜ガスが、希ガスを含むことが好ましい。
【０００８】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記成膜ガスが、水素ガスを含むことが好ましい。
【０００９】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記成膜ガスの全流量に対する前記珪素化合物の体積流量比率が０．５％〜１０％の範囲内であることが好ましい。
【００１０】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記処理容器内の圧力を０．１Ｐａ以上１０．６Ｐａ以下の範囲内に設定して前記プラズマＣＶＤを行うことが好ましい。
【００１１】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、処理温度を２５０℃以上６００℃以下で行うことが好ましい。
【００１２】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記マイクロ波のパワー密度が、被処理体の面積あたり０．２５Ｗ／ｃｍ２以上２．５６Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内であることが好ましい。
【００１３】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法は、前記プラズマＣＶＤの間、被処理体を載置する載置台に埋設された電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加することが好ましい。
【００１４】
本発明のプラズマＣＶＤ装置は、プラズマＣＶＤ法により被処理体上に結晶性珪素膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
被処理体を収容する上部が開口した処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を載置する載置台と、
前記処理容器の前記開口を塞ぐ誘電体部材と、
前記誘電体部材の上部に設けられ、前記処理容器内にマイクロ波を導入するための複数の孔を有する平面アンテナと、
前記処理容器内に成膜ガスを導入するガス導入部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器内に前記ガス導入部を介して導入した式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを、前記平面アンテナを介して導入した前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行い被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる結晶性珪素膜の成膜方法が行われるように制御する制御部と、を備えている。このプラズマＣＶＤ装置は、前記載置台内に埋設された電極と、前記電極に接続する高周波電源と、をさらに備え、前記制御部は、前記プラズマＣＶＤの間、前記電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の結晶性珪素膜の成膜方法によれば、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより、結晶化度を低下させずに高い成膜レートで結晶性珪素膜を成膜できる。
【００１６】
また、本発明方法は、６００℃以下の低温で結晶性珪素膜を成膜できるため、サーマルバジェットを低減できるとともに、成膜の過程でドーパントの拡散を生じさせることがないので、半導体製造プロセスにおいて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】結晶性珪素膜の形成に適したプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナの構造を示す図面である。
【図３】制御部の構成を示す説明図である。
【図４】ポリシリコン膜の成膜レートと成膜ガス流量との関係を示すグラフである。
【図５】ポリシリコン膜の結晶化度と成膜ガス流量との関係を示すグラフである。
【図６】ポリシリコン膜の結晶配向性と成膜ガス流量との関係を示すグラフである。
【図７】ポリシリコン膜の結晶配向性と成膜圧力との関係を示すグラフである。
【図８】ポリシリコン膜の結晶配向性と成膜温度との関係を示すグラフである。
【図９】ポリシリコン膜の結晶配向性とマイクロ波出力との関係を示すグラフである。
【図１０】クロスポイント型のメモリセルアレイの構成を示す模式図である。
【図１１】図１０のメモリセルアレイの要部断面図である。
【図１２】ダイオードの製造工程を説明する図面である。
【図１３】図１２に続く工程を説明する図面である。
【図１４】図１３に続く工程を説明する図面である。
【図１５】ｐｉｎダイオードとなるポリシリコン膜が積層して成膜された状態を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の結晶性珪素膜の製造方法に利用可能なプラズマＣＶＤ装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００１９】
プラズマＣＶＤ装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。プラズマＣＶＤ装置１００では、１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ０．７〜２ｅＶの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマＣＶＤ装置１００は、各種半導体装置の製造過程においてプラズマＣＶＤによって結晶性珪素膜としてのポリシリコン膜を成膜処理する目的で好適に利用できる。
【００２０】
プラズマＣＶＤ装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを供給するガス供給装置１８と、このガス供給装置１８に接続するガス導入部１４と、処理容器１内を減圧排気するための排気装置２４と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置２７と、これらプラズマＣＶＤ装置１００の各構成部を制御する制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８は、プラズマＣＶＤ装置１００の構成部分には含めずに、外部のガス供給装置をガス導入部１４に接続して使用する構成としてもよい。
【００２１】
処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されており、上部が開口している。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２２】
処理容器１の内部には、被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持され、底部に固定さている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２３】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。載置台２の保護の観点から、カバーリング４は載置台２の全表面を覆うようにしてもよい。
【００２４】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。このヒータ５は、ヒータ電源５ａから給電されることにより載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００２５】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６により、温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００２６】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）を有している。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２７】
また、載置台２の表面側には電極７が埋設されている。この電極７は、ヒータ５と載置台２の表面との間に配置されている。この電極７に、給電線７ａによって、マッチングボックス（Ｍ．Ｂ．）８を介してバイアス印加用の高周波電源９が接続されている。電極７に高周波電源９より高周波電力を供給して、基板であるウエハＷに高周波バイアス（ＲＦバイアス）を印加できる構成となっている。つまり、電極７、給電線７ａ、マッチングボックス（Ｍ．Ｂ．）８及び高周波電源９は、バイアス印加手段を構成している。電極７の材質としては、載置台２の材質であるＡｌＮ等のセラミックスと同等の熱膨張係数を有する材質が好ましく、例えばモリブデン、タングステンなどの導電性材料を用いることが好ましい。電極７は、例えば網目状、格子状、渦巻き状等の形状に形成されている。電極７のサイズは、少なくともウエハＷと同等かそれより若干大きく（例えば、ウエハＷの直径よりも１〜５ｍｍ程度大きく）形成することが好ましい。
【００２８】
処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の開口部１０が形成されている。底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。
【００２９】
処理容器１を形成する側壁１ｂの上端には、処理容器１を開閉させる蓋体（リッド）としての機能を有する環状のプレート１３が配置されている。プレート１３の内周下部は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、環状の支持部１３ａを形成している。
【００３０】
処理容器１の上方には、処理ガスを導入するガス導入部１４が配設されている。プレート１３には、第１のガス導入孔を有する第１のガス導入部１４ａが設けられている。また、処理容器１の側壁１ｂには、第２のガス導入孔を有する第２のガス導入部１４ｂが設けられている。つまり、第１のガス導入部１４ａおよび第２のガス導入部１４ｂは、上下２段に設けられ、ガス導入部１４を構成している。第１のガス導入部１４ａおよび第２のガス導入部１４ｂは成膜ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、第１のガス導入部１４ａおよび第２のガス導入部１４ｂはノズル状またはシャワーヘッド状に設けてもよい。また、第１のガス導入部１４ａと第２のガス導入部１４ｂを単一のシャワーヘッドに設けてもよい。さらに、第１のガス導入部１４ａと第２のガス導入部１４ｂを共に処理容器１の側壁１ｂに設けてもよい。
【００３１】
また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマＣＶＤ装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間で、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブ１７とが設けられている。
【００３２】
ガス供給装置１８は、成膜ガスなどを処理容器１内に供給するものであり、不活性ガス供給源１９ａ、水素ガス供給源１９ｂ、珪素化合物を含有する珪素化合物ガス（Ｓｉ化合物ガス）供給源１９ｃ、ドーパントガス供給源１９ｄ及び水素ガス供給源１９ｅを有している。不活性ガス供給源１９ａ及び水素ガス供給源１９ｂ、は、ガスライン２０ａ，２０ｂ、及びガスライン２０ｆを介して第１のガス導入部１４ａに接続されている。また、珪素化合物ガス供給源１９ｃ、ドーパントガス供給源１９ｄ及び水素ガス供給源１９ｅは、ガスライン２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、及びガスライン２０ｇを介して、第２のガス導入部１４ｂに接続されている。なお、ガス供給装置１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器１内をクリーニングするクリーニングガス供給源や、処理容器１内の雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を別に有していてもよい。
【００３３】
本発明では、成膜原料である珪素化合物ガスとして、分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物のガス、より具体的には式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物のガスを用いる。この珪素化合物は、珪素原子と水素原子とからなる化合物であることが好ましく、例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）などを用いることができる。これらは２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００３４】
また、成膜ガスとしては、珪素化合物ガスのほかに、不活性ガス、水素ガス、ドーパントガス等を用いることができる。不活性ガスと水素ガスは、処理容器１内で生成するプラズマを安定して形成させる機能を奏するプラズマ形成用のガスであるため、これらを成膜ガス中に混合することが好ましい。
【００３５】
不活性ガスとしては、例えば希ガスを用いることができる。希ガスは、プラズマ励起用ガスとして安定したプラズマの生成に役立つものであり、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。
【００３６】
ドーパントガスとしては、ｎ型ポリシリコン膜を成膜する場合はＰＨ３、ＡｓＨ３等、ｐ型ポリシリコン膜を成膜する場合はＢ２Ｈ６等を例示できる。
【００３７】
不活性ガス及び水素ガスは、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ及び水素ガス供給源１９ｂから、ガスライン２０ａ，２０ｂを介してガスライン２０ｆに合流した後第１のガス導入部１４ａに至り、第１のガス導入部１４ａから処理容器１内に導入される。一方、珪素化合物ガス、ドーパントガス及び水素ガスは、珪素化合物ガス供給源１９ｃ、ドーパントガス供給源１９ｄ及び水素ガス供給源１９ｅから、それぞれガスライン２０ｃ、２０ｄ、２０ｅを介してガスライン２０ｇに合流した後、第２のガス導入部１４ｂに至り、第２のガス導入部１４ｂから処理容器１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０ａ〜２０ｅには、マスフローコントローラ２１ａ〜２１ｅおよびその前後の開閉バルブ２２ａ〜２２ｅが設けられている。このようなガス供給装置１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。なお、Ａｒなどのプラズマ励起用の不活性ガスや水素ガスは任意のガスであり、必ずしも成膜ガスと同時に供給する必要はない。
【００３８】
排気装置２４は、ターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。この排気装置２４を作動させることにより、処理容器１内のガスは、排気室１１内の空間１１ａへ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器１内を、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００３９】
次に、マイクロ波導入装置２７の構成について説明する。マイクロ波導入装置２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３、カバー部材３４、導波管３７およびマイクロ波発生装置３９を備えている。マイクロ波導入装置２７は、処理容器１内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ生成手段である。
【００４０】
誘電体部材としての透過板２８は、プレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、マイクロ波を透過する誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。特にプラズマＣＶＤ装置として用いる場合、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスが好ましい。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、処理容器１の上部の開口はプレート１３を介して透過板２８によって塞がれ、処理容器１内が気密に保持される。
【００４１】
平面アンテナ３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ３１は、プレート１３の上端に係止されている。
【００４２】
平面アンテナ３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板、ニッケル板、ＳＵＳ板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔３２を有している。マイクロ波放射孔３２は、所定のパターンで平面アンテナ３１を貫通して形成されている。
【００４３】
個々のマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、細長い長方形状（スロット状）をなし、隣接する２つのマイクロ波放射孔が対をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２が「Ｌ」字状に配置されている。また、このように所定の形状（例えばＬ字状）に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【００４４】
マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。例えば、マイクロ波放射孔３２の間隔は、λｇ／４からλｇとなるように配置される。図２においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、マイクロ波放射孔３２の形状は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。
【００４５】
平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、樹脂等を有する遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００４６】
なお、平面アンテナ３１と透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【００４７】
プレート１３の上部には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、カバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。プレート１３とカバー部材３４とは、シール部材３５によりシールされている。カバー部材３４の内部には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波材３３、平面アンテナ３１および透過板２８を冷却できるようになっている。なお、カバー部材３４は接地されている。
【００４８】
カバー部材３４の上壁（天井部）の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。
【００４９】
導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部に接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。
【００５０】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
【００５１】
以上のような構成のマイクロ波導入装置２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介して処理容器１内に導入されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００５２】
プラズマＣＶＤ装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、コンピュータを有しており、例えば図３に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマＣＶＤ装置１００において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力、バイアス印加用の高周波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、高周波電源９、ガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
【００５３】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマＣＶＤ装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマＣＶＤ装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマＣＶＤ装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５４】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマＣＶＤ装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００５５】
次に、ＲＬＳＡ方式のプラズマＣＶＤ装置１００を用いたプラズマＣＶＤ法によるポリシリコン膜の堆積処理について説明する。まず、ゲートバルブ１７を開にして搬入出口１６からウエハＷを処理容器１内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、水素ガス供給源１９ｂ、珪素化合物ガス供給源１９ｃ及び水素ガス供給源１９ｅさらに必要に応じてドーパントガス供給源１９ｄから、珪素化合物ガス、水素ガス及び／又は不活性ガス並びに必要によりドーパントガスを所定の流量でそれぞれ第１のガス導入部１４ａ及び第２のガス導入部１４ｂを介して処理容器１内に導入する。そして、処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００５６】
ここで、プラズマＣＶＤにおける好ましい条件（処理圧力、成膜ガス流量、成膜温度）について説明する。処理圧力は、０．１Ｐａ以上１０．６Ｐａ以下の範囲内が好ましく、０．１Ｐａ以上５．３Ｐａ以下の範囲内がより好ましい。処理圧力は低いほどよく、上記範囲の下限値０．１Ｐａは、装置上の制約（高真空度の限界）に基づき設定した値である。処理圧力が１０．６Ｐａを超えると、ポリシリコンの結晶化度が低下して膜質が低下するため好ましくない。
【００５７】
また、合計の成膜ガス流量に対して、Ｓｉ２Ｈ６ガスなどの珪素化合物ガスの体積流量比率（珪素化合物ガス／合計成膜ガス流量の百分率）を０．５％以上１０％以下とすることが好ましく、１％以上５％以下とすることがより好ましく、１．２５％以上２．５％以下とすることが望ましい。珪素化合物ガスの体積流量比率が０．５％以下では十分な成膜レートが得られず、１０％を超えると膜質が低下するおそれがある。なお、珪素化合物ガスの流量は、１ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは１ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内から上記流量比率になるように設定することができる。
【００５８】
また、成膜ガス中には、珪素化合物ガスとともに、水素を含むことが好ましい。水素は、結晶性珪素膜中の欠陥に入り込むことにより、結晶を修復させる作用がある。したがって、成膜ガス中に水素を添加することにより、結晶性珪素膜の結晶性を高め、膜質を向上させることができる。合計の成膜ガス流量に対して、水素ガスの体積流量比率（Ｈ２ガス／合計成膜ガス流量の百分率）を９０％以上９９．５％以下とすることが好ましく、９５％以上９９％以下とすることがより好ましく、９７．５％以上９８．７５％以下とすることが望ましい。なお、水素ガスの流量は、１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内から上記流量比率になるように設定することができる。
【００５９】
また、プラズマを安定して生成させるために、上記珪素化合物ガス及び水素ガスとともに、Ａｒなどの不活性ガスを添加することが好ましい。この場合、合計の成膜ガス流量に対して、不活性ガスの体積流量比率（例えばＡｒガス／合計成膜ガス流量の百分率）を１％以上１０％以下とすることが好ましく、１％以上５％以下とすることがより好ましい。なお、不活性ガスの流量は、２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内から上記流量比率になるように設定することができる。
【００６０】
なお、水素ガスに替えて不活性ガスを用いる場合（つまり、珪素化合物と不活性ガスを用いる場合）は、不活性ガスの流量は、例えば１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下とすることが好ましい。
【００６１】
また、プラズマＣＶＤ処理の温度は、サーマルバジェットを低減し、不純物の拡散を抑えるために、載置台２の温度を６００℃以下、好ましくは２５０℃以上６００℃以下、より好ましくは２５０℃以上５００℃以下の範囲内に設定すればよい。
【００６２】
次に、マイクロ波発生装置３９で発生させた所定周波数例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マッチング回路３８を介して導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、マイクロ波は、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１のスロット状のマイクロ波放射孔３２から透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射させられる。この際、マイクロ波出力を大きくするほど、成膜されるポリシリコン膜の結晶化度を高めることができるため、マイクロ波出力は、ウエハＷの面積あたりの出力密度として０．２５〜２．５６Ｗ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましく、マイクロ波出力は、例えば５００Ｗ〜５０００Ｗの範囲内から目的に応じて上記範囲内の出力密度になるように選択することができる。なお、マイクロ波出力の上限である５０００Ｗは装置上の制約により設定した値であり、可能であれば前記上限値を超えるマイクロ波出力を供給することができる。
【００６３】
平面アンテナ３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、珪素化合物ガス、水素ガス及び／又は不活性ガス、さらにドーパントガス（添加する場合）が、それぞれプラズマ化する。そして、プラズマ中で原料ガスの解離が効率的に進み、ＳｉｐＨｑ、ＳｉＨｑ（ここで、ｐ、ｑは任意の数を意味する。以下同様である。）などの活性種の反応によって、ポリシリコン膜が堆積される。
【００６４】
また、必要に応じて、プラズマＣＶＤ処理を行なっている間、載置台２の電極７に高周波電源９から所定の周波数および大きさの高周波電力を供給し、高周波バイアス電圧（以下、単に「ＲＦバイアス」と記すことがある）をウエハＷに印加することもできる。プラズマＣＶＤ装置１００では、プラズマの電子温度を低く維持できるので、ＲＦバイアスを印加しても膜へのダメージが少ない。また、適切な範囲でのＲＦバイアスの印加は、ウエハＷへ向けてプラズマ中のＳｉイオンを引き込むことができるため、結晶化度を高めポリシリコン膜の膜質を向上させるとともに、成膜レートをより一層向上させることができる。この場合、高周波電源９から供給される高周波電力の周波数は、例えば４００ｋＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の範囲内が好ましく、４５０ｋＨｚ以上２０ＭＨｚ以下の範囲内がより好ましい。高周波電力は、ウエハＷの面積当たりの出力密度として例えば０．０１２Ｗ／ｃｍ２以上０．５８５Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内で印加することが好ましく、０．０１２Ｗ／ｃｍ２以上０．２３４Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内で印加することがより好ましい。また、高周波電力は１０Ｗ以上５００Ｗ以下の範囲内が好ましく、より好ましくは１０Ｗ以上２００Ｗ以下の範囲内から、上記出力密度になるように電極７に供給してＲＦバイアスを印加することができる。
【００６５】
以上の条件は、制御部５０の記憶部５３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ５１がそのレシピを読み出してプラズマＣＶＤ装置１００の各構成部例えばガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａ、高周波電源９などへ制御信号を送出することにより、所望の条件でのプラズマＣＶＤ処理が実現する。
【００６６】
次に、本発明の基礎となった実験データを挙げ、プラズマＣＶＤ処理の好適な条件について説明する。
実験１：
珪素化合物としてＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉ３Ｈ８ガスを、プラズマ生成用ガスとしてＡｒガスを使用し、プラズマＣＶＤ装置１００において下記のプラズマＣＶＤ条件で成膜ガスの流量を変えてポリシリコン膜を成膜した。各条件で成膜されたポリシリコン膜の成膜レートを図４、結晶化度を図５に示した。なお、結晶化度は、ラマン分光分析で得られたスペクトルの結晶性シリコン（５２０ｎｍ）の信号強度をアモルファスシリコン（４８０ｎｍ）の信号強度で除した値である。
【００６７】
［プラズマＣＶＤ条件］
処理温度（載置台）：４００℃
マイクロ波パワー：３０００Ｗ
処理圧力；５．３Ｐａ
シラン系ガス流量；５、１０又は２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス流量；上記シラン系ガスとの合計で８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
【００６８】
図４から、成膜レートは、どの珪素化合物でも流量の増加に比例して高くなる傾向を示しているが、Ｓｉ３Ｈ８を使用した場合が最も高く、次にＳｉ２Ｈ６であり、ＳｉＨ４は最も低い結果となった。ＳｉＨ４の成膜レートに対して、Ｓｉ３Ｈ８は約３倍、Ｓｉ２Ｈ６は約２倍の顕著な改善を示した。また、図５から、結晶化度は、どの珪素化合物でも、流量の増加とともに若干減少する傾向が見られるが、珪素化合物の種類による違いは少なく、略同等の膜質であることが確認された。
【００６９】
また、図６は、珪素化合物としてＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６を使用し上記条件で成膜したポリシリコン膜をＸＲＤ分析し、結晶方位＜２２０＞の信号強度を膜厚で規格化した比率（％）と、ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６の流量との関係を示している。なお、図６には、成膜レート（縦軸の右側目盛り）も併記した。図６のＸＲＤ分析でもラマン分光分析と同様の傾向を示し、結晶方位＜２２０＞の比率は、ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６ともに流量の増加とともに若干減少する傾向が見られるが、珪素化合物による違いは少なく、略同等の膜質であることが確認された。しかし、成膜レートは、ＳｉＨ４に比べてＳｉ２Ｈ６は約２倍の顕著な改善を示した。
【００７０】
以上の結果から、珪素化合物ガスの体積流量比率（珪素化合物ガス／合計成膜ガス流量の百分率）が１．２５％以上２．５％以下の範囲内で、ＳｉＨ４に比較して、Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉ３Ｈ８を用いることの優位性が際立っていることが理解される。従って、珪素化合物として、分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を用いることにより、ポリシリコン膜の結晶化度を低下させることなく、成膜レートを大幅に向上できることが確認された。
【００７１】
実験２：
珪素化合物としてＳｉ２Ｈ６、プラズマ生成用ガスとしてＨ２ガスを使用し、プラズマＣＶＤ装置１００において下記のプラズマＣＶＤ条件でポリシリコン膜を成膜した。各条件で成膜されたポリシリコン膜をＸＲＤ分析し、結晶方位＜２２０＞の信号強度を膜厚で規格化した比率（％）を元に、膜質に対する成膜圧力、温度、及びマイクロ波出力の影響を調べた。結果を図７〜９に示した。
【００７２】
［プラズマＣＶＤ条件］
処理温度（載置台）：２５０℃、４００℃又は５００℃に設定した。
マイクロ波パワー：２０００Ｗ、３０００Ｗ又は４０００Ｗに設定した。
処理圧力；４Ｐａ、５．３Ｐａ又は１０．６Ｐａに設定した。
シラン系ガス流量；５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定した。
Ｈ２ガス流量；上記シラン系ガスとの合計で４００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定した。
【００７３】
図７は成膜圧力の影響を示しており、圧力が４Ｐａから５．３Ｐａでは結晶方位＜２２０＞の比率はほとんど変化していないが、１０．６Ｐａでは大幅に低下していた。従って、成膜圧力は、例えば１０．６Ｐａ以下が好ましく、５．３Ｐａ以下がより好ましいと考えられる。
【００７４】
図８は成膜温度（載置台の温度）の影響を示しており、２５０℃、４００℃、５００℃で結晶方位＜２２０＞の比率はほとんど変化しておらず、有意な差は認められなかった。ただし、成膜温度が５００℃を超えて高くなると結晶方位＜２２０＞の比率が低下する傾向が見られるため、成膜温度の上限は６００℃程度とすることが好ましいと考えられる。従って、成膜温度は、例えば２５０℃以上６００℃以下が好ましく、２５０℃から５００℃がより好ましい。
【００７５】
図９はマイクロ波出力の影響を示しており、マイクロ波出力を２０００Ｗから４０００Ｗに大きくすることによって、結晶方位＜２２０＞の比率が増加することが確認された。図９から、マイクロ波出力を大きくするほど結晶化度を高めることが可能であることが示唆された。従って、マイクロ波出力は、例えば２０００Ｗ以上５０００Ｗ以下が好ましく、３０００Ｗ以上５０００Ｗ以下がより好ましいと考えられる。
【００７６】
［不揮発性メモリ装置の製造への適用例］
次に、図１０〜図１５を参照しながら、本実施の形態に係る結晶性珪素膜の製造方法を不揮発性メモリ装置の製造過程に適用した例について説明する。図１０は、クロスポイント型のメモリセルアレイ２００の構成を模式的に示している。メモリセルアレイ２００は複数本（図示では３本）のビット線ＢＬと複数本（図示では３本）のワード線ＷＬの交点にメモリセルＭＣが配置されている。
【００７７】
図１１は、図１０のメモリセルアレイ２００の要部断面図であり、メモリセルＭＣの詳細な構造を示している。メモリセルＭＣは、ダイオード２０１と記憶素子２１１とが直列に接続した回路構造をしている。ダイオード２０１は、ｐｉｎダイオードであり、ｐ型シリコン層２０２、真性シリコン層２０３及びｎ型シリコン層２０４を備えている。
【００７８】
記憶素子２１１としては、抵抗変化メモリ（ＲＲＡＭ）の場合は電気的ストレスによって抵抗変化する材料（例えば、ＰｒＣａＭｎＯ等の遷移金属酸化物）、相変化メモリ（ＰＲＡＭ）の場合は電流による熱ストレスにより相変化する材料（例えばＧｅＳｅＴｅ等）、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）の場合は強誘電体材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、ストロンチウム・ビスマス・タンタル複合酸化物等）、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の場合は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅなどの遷移金属磁性元素・それらの合金などからなる強磁性層と非磁性層と前記強磁性層とが積層されたＴＭＲ（強磁性トンネル磁気抵抗効果）素子構造など、を有するものを挙げることができる。
【００７９】
本発明に係るポリシリコン膜の製造方法は、クロスポイント型のメモリセルアレイ２００のダイオード２０１を製造する際に適用できる。図１２及び図１３に示すように、図示しない層間絶縁膜上に形成された下部電極層２２０（ワードラインＷＬとなるもの）の上に、プラズマＣＶＤ装置１００により分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を含む成膜ガスを使用してポリシリコン層２０２ａ（ｐ型シリコン層２０２となる部分）を成膜する。この工程では、ドーパントガス供給源１９ｄから、Ｂ２Ｈ６等のドーパントガスを供給しながらプラズマＣＶＤを行う。
【００８０】
次に、図１３及び図１４に示すように、ポリシリコン層２０２ａの上に、プラズマＣＶＤ装置１００により分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を含む成膜ガスを使用してポリシリコン層２０３ａ（真性シリコン層２０３となる部分）を成膜する。
【００８１】
次に、図１４及び図１５に示すように、ポリシリコン層２０３ａの上に、プラズマＣＶＤ装置１００により分子中に含まれる珪素原子の数が２以上である珪素化合物を含む成膜ガスを使用してポリシリコン層２０４ａ（ｎ型シリコン層２０４となる部分）を成膜する。この工程では、ドーパントガス供給源１９ｄから、ＰＨ３等のドーパントガスを供給しながらプラズマＣＶＤを行う。
【００８２】
以上のようにして、ｐ型シリコン層２０２となるポリシリコン層２０２ａ、真性シリコン層２０３となるポリシリコン層２０３ａ及びｎ型シリコン層２０４となるポリシリコン層２０４ａを順次形成することができる。以降は、ポリシリコン層２０４ａの上に、記憶素子２１１となる部分の材料膜を形成し、エッチングを行うことによって、図１１に示した積層構造のメモリセルＭＣを形成できる。
【００８３】
本発明方法を適用することによって、高い成膜レートで高い結晶化度の良質なポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを成膜できる。また、本発明方法では、平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成する方式のプラズマＣＶＤ装置１００を用いることによって、６００℃以下の低温でポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを成膜できるので、成膜の過程でドーパントの拡散を生じさせることがない。また、通常、図１０に示すようなメモリセルアレイ２００を積層構造とすることによって集積度の向上を図っている。そのためには、ｐ型シリコン層２０２、真性シリコン層２０３及びｎ型シリコン層２０４からなるダイオード２０１（ｐｉｎダイオード）は、出来るだけ薄く形成する必要がある。しかし、熱ＣＶＤ法によってポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを成膜する場合には、薄膜化が困難であるとともに、高温によってドーパントの拡散が生じてしまう。このような観点から、ポリシリコン層２０２ａ，２０３ａ及び２０４ａを薄膜に成膜できるとともに、比較的低温での成膜が可能でドーパントの拡散を生じさせない本発明方法を適用することは極めて有利である。
【００８４】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、クロスポイント型不揮発性メモリ装置の製造工程での適用例を挙げて説明したが、これに限るものではなく、良質な結晶性珪素薄膜を高いレートで成膜する必要がある半導体プロセスに広く適用できる。
【符号の説明】
【００８５】
１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、９…高周波電源、１２…排気管、１４…ガス導入部、１４ａ…第１のガス導入部、１４ｂ…第２のガス導入部、１６…搬入出口、１７…ゲートバルブ、１８…ガス供給装置、１９ａ…不活性ガス供給源、１９ｂ…水素ガス供給源、１９ｃ…珪素化合物ガス（Ｓｉ化合物ガス）供給源、１９ｄ…ドーパントガス供給源、１９ｅ…水素ガス供給源、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入装置、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ、３２…マイクロ波放射孔、３７…導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、１００…プラズマＣＶＤ装置、Ｗ…シリコンウエハ（基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項２】
前記珪素化合物がジシランまたはトリシランである請求項１に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項３】
前記成膜ガスが、希ガスを含む請求項１又は２に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項４】
前記成膜ガスが、水素ガスを含む請求項１から３のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項５】
前記成膜ガスの全流量に対する前記珪素化合物の体積流量比率が０．５％〜１０％の範囲内である請求項１から４のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項６】
前記処理容器内の圧力を０．１Ｐａ以上１０．６Ｐａ以下の範囲内に設定して前記プラズマＣＶＤを行う請求項１から５のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項７】
処理温度を２５０℃以上６００℃以下で行う請求項１から６のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項８】
前記マイクロ波のパワー密度が、被処理体の面積あたり０．２５Ｗ／ｃｍ２以上２．５６Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内である請求項１から７のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項９】
前記プラズマＣＶＤの間、被処理体を載置する載置台に埋設された電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加する請求項１から８のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項１０】
プラズマＣＶＤ法により被処理体上に結晶性珪素膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
被処理体を収容する上部が開口した処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を載置する載置台と、
前記処理容器の前記開口を塞ぐ誘電体部材と、
前記誘電体部材の上部に設けられ、前記処理容器内にマイクロ波を導入するための複数の孔を有する平面アンテナと、
前記処理容器内に成膜ガスを導入するガス導入部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器内に前記ガス導入部を介して導入した式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを、前記平面アンテナを介して導入した前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行い被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる結晶性珪素膜の成膜方法が行われるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１１】
前記載置台内に埋設された電極と、
前記電極に接続する高周波電源と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記プラズマＣＶＤの間、前記電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加する請求項１０に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１】
複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ装置を用い、式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項２】
前記珪素化合物がジシランまたはトリシランである請求項１に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項３】
前記成膜ガスが、希ガスを含む請求項１又は２に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項４】
前記成膜ガスが、水素ガスを含む請求項１から３のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項５】
前記成膜ガスの全流量に対する前記珪素化合物の体積流量比率が０．５％〜１０％の範囲内である請求項１から４のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項６】
前記処理容器内の圧力を０．１Ｐａ以上１０．６Ｐａ以下の範囲内に設定して前記プラズマＣＶＤを行う請求項１から５のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項７】
処理温度を２５０℃以上６００℃以下で行う請求項１から６のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項８】
前記マイクロ波のパワー密度が、被処理体の面積あたり０．２５Ｗ／ｃｍ２以上２．５６Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内である請求項１から７のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項９】
前記プラズマＣＶＤの間、被処理体を載置する載置台に埋設された電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加する請求項１から８のいずれか１項に記載の結晶性珪素膜の成膜方法。
【請求項１０】
プラズマＣＶＤ法により被処理体上に結晶性珪素膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
被処理体を収容する上部が開口した処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を載置する載置台と、
前記処理容器の前記開口を塞ぐ誘電体部材と、
前記誘電体部材の上部に設けられ、前記処理容器内にマイクロ波を導入するための複数の孔を有する平面アンテナと、
前記処理容器内に成膜ガスを導入するガス導入部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器内に前記ガス導入部を介して導入した式ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ここで、ｎは２以上の数を意味する）で表される珪素化合物を含む成膜ガスを、前記平面アンテナを介して導入した前記マイクロ波により励起してプラズマを生成させ、該プラズマを用いてプラズマＣＶＤを行い被処理体の表面に結晶性珪素膜を堆積させる結晶性珪素膜の成膜方法が行われるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１１】
前記載置台内に埋設された電極と、
前記電極に接続する高周波電源と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記プラズマＣＶＤの間、前記電極に高周波電力を印加することにより、被処理体にバイアス電圧を印加する請求項１０に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−７７３２２（Ｐ２０１１−７７３２２Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２７６３９（Ｐ２００９−２２７６３９）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＲＲＡＭ
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＲＲＡＭ
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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